Измерение напряжения и силы тока. Общие сведения.

Измерение напряжения и силы тока наиболее часто применяют в практике метрологии, электроизмерениях и радиоизмерениях. При этом в телекоммуникаци-онных системах преобладающее значение имеет измерение на­пряжения, так как чаще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных электротехнических и радиотехнических цепей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процессов в ней, по­скольку его входное сопротивление выбирается достаточно большим значением. При измерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивле­ние которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необходимы пря­мые или косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения напряжения и силы тока рассматриваются совместно.

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахо­ждении их значения (величины) и полярности. Целью измерения пере­менных напряжения и силы тока является определение какого-либо их параметра.

Поскольку напряжение и ток связаны прямопропорциональной зави­симостью, чаще проводят измерение напряжения и по его значению аналитически вычисляют силу тока.

Напряжение между точками А и В есть скалярная величина, опреде­ляемая выражением

(7.1)

где - напряженность электрического поля; - расстояние между точками.

В настоящее время метрологическая техника позволяет измерять напряжения в диапазоне 10^-10...106 В и токи в диапазоне 10^-18...10⁵ А. Вме­сте с тем данные измерения должны осуществляться в очень широкой] полосе частот - от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более). Поэтому такие крайние значения величин требуют уникальных методов измерения и в этом учебнике не изучаются. Как уже отмечалось, приборы, измеряющие параметры сигналов с частотами до 10⁴ Гц, являются низкочастотными, до 10⁸ - высо­кочастотными, свыше - диапазон сверхвысоких частот, требующий специальных измерительных методов. Измерение параметров напряжения переменного тока - довольно сложная метрологическая задача, связанная с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение характеризуется несколькими параметрами, и его уровень может быть определен по амплитудному, действующему (среднеквадратическому, эффективному) или средневыпрямленному (постоянному) значению. Напомним некоторые характеристики и пара­метры напряжения переменного тока.

Мгновенные значения напряжения u(t) наблюдают на осциллографе или экране любого другого устройства (рисунок 7.3) и определяют для каж­дого момента времени.

Амплитуда (высота; устаревший термин - пиковое значение ) U_m - наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения, или за период.

Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например, форму импульсов, гармонического или негармонических колебаний - суммы си­нусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рисунок 7.3, а, б, в). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают два амплитудных

значения (рисунок 7.3, г): положительное и отрицательное: и .

Рисунок 7.3 Иллюстрация к понятию амплитуда напряжения:

а) - импульсы положительной полярности; б) - синусоидальное напряжение;

в) - сумма синусоиды и постоянной составляющей; г) - несинусоидальное колебание.

Действующее (среднеквадратическое) напряжение определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напря­жения за время измерения (или за период):

(7.2)

При несинусоидальном периодическом сигнале квадрат действующе­го значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и дейст­вующих значений гармоник:

(7.3)

Среднее значение напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

(7.4)

Средневыпрямленное (постоянная составляющая) напряжение опреде­ляется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

(7.5)

Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значения равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут существенно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения ,

Наибольшая потребность существует в измерении действующего значения напряжения, так как этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Часто же проще измерить амплитудное или средне­выпрямленное значение и произвести пересчет с применением коэффициентов амплитуды К_а и формы К_ф:

(7.6)

В частности, для гармонического напряжения: К_а = 1,41; К_ф = 1,11.

Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых видов сигналов и соотношения между ними приведены в таблице 7.2, где все ве­личины напряжений обозначены буквой и.

Таблица 7.2